钢基表面射频磁控溅射法制备BN薄膜

论文摘要

氮化硼（Boron Nitride，即BN）由于具有优异的热稳定性、化学惰性、很高的热导率，在高温下也具有良好的润滑性，所以氮化硼薄膜尤其是立方氮化硼薄膜的制备成为近几年材料界研究的热点之一。本文通过射频磁控溅射的方法，在40Cr和T10钢的表面获得了氮化硼薄膜。通过X射线衍射、傅立叶红外光谱分析、摩擦磨损和划痕等试验研究了溅射工艺参数、中间层等对薄膜结构和性能的影响。研究结果表明氮化硼薄膜随着温度的升高，薄膜逐渐晶化并且可以得到立方相的氮化硼，溅射气压为0.8Pa、基体负偏压为150V时得到了比较均匀致密的氮化硼薄膜。在300W、3h下得到的薄膜性能较佳。X射线衍射和FTIR表明随着温度的升高，立方氮化硼含量增加，氮气和氩气的流量比为15／60、气压0.8Pa时对立方相生长有利，存在负偏压阀值120V，低于此值立方相不能形成。划痕实验表明，功率300W、时间3h、气压0.8Pa时的结合力较大，通过对基体氮化处理、增加Ni-P、TiN中间层以及回火处理，薄膜的结合力大大提高。摩擦磨损实验表明氮化硼薄膜的摩擦系数明显低于基体的摩擦系数，起到减磨的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 氮化硼的结构及应用
• 1.1.1 立方氮化硼（c-BN）
• 1.1.2 六方氮化硼（h-BN）
• 1.1.3 菱方氮化硼（r-BN）
• 1.1.4 E-BN（ExPlosion Boron Nitride）
• 1.2 立方氮化硼的研究
• 1.3 当前BN研究中存在的问题
• 1.3.1 薄膜与衬底的结合力问题
• 1.3.2 薄膜的厚度和纯度
• 1.4 BN薄膜的制备技术
• 1.4.1 物理气相沉积（PVD）法
• 1.4.2 化学气相沉积（CVD）法
• 1.5 本课题研究的目的意义及主要内容
• 1.5.1 研究的目的和意义
• 1.5.2 研究的主要内容
• 第2章 实验方法与过程
• 2.1 实验用材
• 2.2 制备实验装置
• 2.3 溅射前的工艺参数
• 2.4 分析与检测
• 2.4.1 电子探针显微分析仪
• 2.4.2 X射线衍射仪
• 2.4.3 傅立叶变换红外分析
• 2.4.4 划痕试验仪
• 2.4.5 摩擦磨损试验仪
• 第3章 BN薄膜的形貌分析
• 3.1 影响BN薄膜形貌的因素
• 3.2 实验结果分析
• 3.2.1 基片温度对表面形貌的影响
• 3.2.2 溅射气压薄膜形貌的的影响
• 3.2.3 溅射偏压对薄膜形貌的影响
• 3.3 薄膜的膜厚观察
• 3.3.1 溅射时间对膜厚的影响
• 3.3.2 溅射功率对膜厚的影响
• 第4章 BN薄膜的生长机理研究
• 4.1 溅射薄膜生长的特点
• 4.2 立方氮化硼薄膜的生长机制
• 4.2.1 压应力机制
• 4.2.2 热峰机制
• 4.2.3 溅射机制
• 4.3 BN薄膜生长实验分析
• 4.3.1 基片温度对薄膜结构的影响
• 4.3.2 氮气流量对薄膜结构的影响
• 4.3.3 基片负偏压对薄膜结构的影响
• 4.3.4 溅射气压对薄膜结构的影响
• 第5章 BN薄膜的性能研究
• 5.1 薄膜的结合力理论
• 5.2 实验结果分析
• 5.2.1 基片表面状态对结合力的影响
• 5.2.2 溅射工艺参数对薄膜结合力的影响
• 5.3 提高薄膜结合力的研究
• 5.3.1 薄膜结合力改善的方法
• 5.3.2 中间层的制备
• 5.3.3 基体氮化
• 5.3.4 磁控溅射后的热处理
• 5.4 实验结果分析
• 5.4.1 化学镀Ni-P中间层对结合力的影响
• 5.4.2 中间层TiN对结合力的影响
• 5.4.3 基体表面软氮化对结合力的影响
• 5.4.4 溅射后热处理对结合力的影响
• 5.5 BN薄膜的摩擦学性能研究
• 5.5.1 摩擦系数分析
• 5.5.2 磨损量分析
• 5.5.3 磨损形貌观察
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文